天文学家为何要使用不同的无线电波段来观察宇宙?--不可见的颜色

2021年09月25日 13:39 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,射电天文学家在几个波长范围内--我们称之为波段--观察宇宙。超大型阵列(VLA)使用的波长范围从4米到不到1厘米不等。阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)使用的无线电波段则从几厘米到三分之一毫米不等。但为什么射电望远镜要使用这么宽的波长范围?答案在于天体发射无线电光的多种方式以及这种光如何跟星际空间的气体和尘埃相互作用。

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长射电波段如VLA的第4波段所看到的,通常是由电离气体产生的。它让人们看到热等离子体在银河系中的位置。这些长波长也很有用,因为大多数中性气体在这些波长下是透明的。这意味着这些光在穿越空间时很少被吸收。较短波长的光通常是由特定的原子或分子发射出来的。其中最重要的一条是21厘米线,其由中性氢发出。这个波长是观察星系中物质分布的最好方法之一,因为氢是迄今为止宇宙中最丰富的元素。

10厘米到20厘米范围内的波长对射电天空调查特别有利,像VLA天空调查(VLASS)。射电星系在这个范围内特别明亮,就像超大质量黑洞发出的喷流一样。通过扫描这些波长的天空,VLASS已经捕获了近1000万个无线电源的图像。

波长为一厘米或两厘米的光经常通过一个被称为同步辐射的过程发射出来。当电子快速通过一个强磁场时,磁场迫使它们沿着磁场线做紧密的螺旋式运动。正因为如此,它们会发射出无线电光。同步辐射在绘制黑洞附近的磁场图时特别有用。另一个在这个范围内发出光的过程被称为激光器或微波激光。我们最熟悉的是发射相干红光的简单激光指示器,但在星际空间的水袋可以发射波长为1.3厘米的相干光。由于这些水乳化器发出非常具体的光的波长,所以它们可以被用来测量宇宙膨胀的速度。

一毫米左右的无线电波长对于研究冷气体和尘埃特别有用。星际空间中的尘埃颗粒发出的光的波长跟它们的大小相当,由于这些尘埃的大部分都约一毫米大小,这就是它们发出最多光的波长。这些短波长的光可能难以观察,部分原因是我们的大气层吸收了这些波长的大部分光。但它们对于研究年轻的行星系统也是非常重要的。ALMA已经能捕捉到年轻恒星周围的气体和尘埃盘,甚至看到了年轻行星开始形成时,这些盘中的间隙是如何形成的。它正在彻底改变我们对系外行星如何形成的理解。

但更有趣的无线电波段之一也许是ALMA的第6波段,它捕捉的是波长为1.1-1.4毫米的光。它已被用于研究红巨星如何产生热量以及行星星云中的分子分布。另外它也被用来创造近年来最强大的无线电图像之一,即星系M87中心的超大质量黑洞的图像。作为事件地平线望远镜(EHT)的一部分,在世界各地的射电望远镜上使用了第6波段接收器,它们收集的数据被结合起来创造了第一个黑洞的直接图像。

射电光对我们的眼睛来说是看不见的,所以很容易认为所有的射电光都是一样的。但射电光充满了色彩,就像我们能看到的可见光的颜色一样,当我们使用其彩虹中的所有颜色时,射电天文学的威力最大。

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